考慮源網(wǎng)荷儲互動的配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)

張 磊

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

節(jié)能減排是我國實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要舉措之一，落實節(jié)能減排工作部署的關鍵在于加強配電網(wǎng)的線損管理。配電網(wǎng)的結(jié)構與運行方式復雜，在電能輸送與分配過程中，無法避免出現(xiàn)電能損耗問題。因此，如何降低配電網(wǎng)電能損耗一直是國內(nèi)外學者研究的重要課題，湯紅衛(wèi)等人綜合考慮配電網(wǎng)電能損失費用，設計一個配電網(wǎng)降損方案優(yōu)選模型[1]；徐常等人在電能替代背景下，根據(jù)變壓器中負荷與電能損耗之間的關系，設計一種配電網(wǎng)變壓器降損方法[2]。當下，我國眾多學者在降低配電網(wǎng)電能損耗方面均取得了可喜的成績，然而隨著電力企業(yè)經(jīng)濟機制的轉(zhuǎn)軌，傳統(tǒng)降損方法與手段的缺陷逐漸暴露，嚴重阻礙了配電網(wǎng)降損管理工作的順利進行。為使配電網(wǎng)降損技術與經(jīng)濟效益密切聯(lián)系，亟需制定一種簡便且有效的降損方案。

1 配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)結(jié)構設計

本文設計的配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)，主要為實現(xiàn)2個目標：一是對配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)進行全面且精細化的管理，通過此系統(tǒng)完善傳統(tǒng)電能損耗計算方法，為配電網(wǎng)電能損耗的動態(tài)考核提供理論依據(jù)；二是對配電網(wǎng)結(jié)構狀態(tài)進行全面分析，綜合考慮電能損耗的各項影響因素，進而高效降低電能損耗，實現(xiàn)配電網(wǎng)的優(yōu)化運行[3,4]。因此，在本文設計的配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)中，設置了數(shù)據(jù)后臺、電能損耗計算模塊以及綜合降損模塊等主要功能模塊，這些功能模塊均圍繞著配電網(wǎng)降損進行設計的，利用通信接口完成各子模塊之間的數(shù)據(jù)共享，從而實現(xiàn)配電網(wǎng)降損輔助決策。由于配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)使用單位是各省級、市級以及縣級的供電企業(yè)，本文在系統(tǒng)結(jié)構設計上，選用網(wǎng)絡版結(jié)構，可以實現(xiàn)各級供電公司的資源共享，如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)結(jié)構設計

如圖1所示，本文配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)采用3層網(wǎng)絡結(jié)構設計。其中數(shù)據(jù)層內(nèi)部署數(shù)據(jù)庫服務器，結(jié)合配電網(wǎng)實際運行狀況，選用MySQL數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫在海量數(shù)據(jù)處理與訪問方面的性能表現(xiàn)良好，而且可以定期備份配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行集中存儲并管理，保障數(shù)據(jù)安全；系統(tǒng)中間層部署Web服務器，主要存儲系統(tǒng)運行程序文件資源，是數(shù)據(jù)層與用戶層的銜接，當中間層接收到用戶層的請求指令，對數(shù)據(jù)層進行訪問與調(diào)用，同時將用戶層所需資源返回；用戶層由多個工作站構成，主要為各級供電公司提供用戶界面，然后供電公司通過此界面進行系統(tǒng)功能的訪問，出于安全性的考慮，用戶層不可以直接訪問底層數(shù)據(jù)庫，需要通過中間層實現(xiàn)。

2 配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)后臺功能

數(shù)據(jù)后臺是所設計配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)的基礎功能，此功能可以為系統(tǒng)內(nèi)其他功能提供所需的各類數(shù)據(jù)[5]。目前，我國配電網(wǎng)建設技術較為成熟，逐步實現(xiàn)了配電網(wǎng)的自動化管理，然而數(shù)據(jù)測點所獲取的實時運行數(shù)據(jù)，傳輸過程中受各類因素的干擾，導致存在大量零數(shù)據(jù)和短時間尖峰數(shù)據(jù)等，嚴重影響電能損耗計算以及降損功能的精度，因此本文在配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心功能中添加節(jié)點選擇算法，來增強數(shù)據(jù)的可靠性。關于配電網(wǎng)節(jié)點選擇，包含等距與不等距2種節(jié)點，為了保證選擇的節(jié)點數(shù)據(jù)可以更好地呈現(xiàn)出原始數(shù)據(jù)曲線的特點，采用數(shù)據(jù)曲線的斜率引導配電網(wǎng)節(jié)點選擇，這樣可以保證選擇的數(shù)據(jù)變化較大的節(jié)點也可以較好地呈現(xiàn)出原始數(shù)據(jù)曲線。在利用曲線斜率選擇節(jié)點時最大的困難就是如何獲取精準的計算斜率，通過相應的插值多項式來獲取斜率為

式中：Cn(k)表示配電網(wǎng)數(shù)據(jù)k的插值多項式；n表示節(jié)點數(shù)量；zn表示插值多項式階數(shù)。將區(qū)段(ki,kj)內(nèi)的曲線斜率作為數(shù)據(jù)節(jié)點選擇的依據(jù)，那么配電網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點選擇時允許的最大斜率為

將式（2）所獲得斜率作為配電網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點選擇的標準，按節(jié)點順序進行數(shù)據(jù)搜索，直至遍歷一遍配電網(wǎng)。該方法可以利用原始數(shù)據(jù)斜率變化來對配電網(wǎng)數(shù)據(jù)稀疏的節(jié)點進行平衡，保證數(shù)據(jù)后臺內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

2.2 潮流計算功能

潮流計算功能是配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)運行中最基本的計算模塊，利用潮流計算可以獲得配電網(wǎng)中各節(jié)點電壓，進一步求得電能損耗值，作為降損輔助決策的數(shù)據(jù)支持[6]。配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)的潮流計算主要包含離線和在線2種計算方式，一般情況下，離線潮流計算可以用于規(guī)劃配電網(wǎng)的運行方式等，而在線潮流計算可以實現(xiàn)配電網(wǎng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。本設計在配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)中添加的潮流計算，主要分2個步驟，一是構建潮流計算數(shù)學模型，二是利用牛頓-拉夫遜法對模型進行求解，從而獲得所需的電能損耗值。由于在實際的配電網(wǎng)中，一般在節(jié)點注入的不是電流數(shù)據(jù)，而是節(jié)點功率，因此，通過節(jié)點功率構建潮流計算方程為

式中：qa、pa分別表示配電網(wǎng)節(jié)點a的有功功率與無功功率參數(shù)；ua、ub分別表示配電網(wǎng)節(jié)點a與節(jié)點b的電壓參數(shù)；Dab表示配電網(wǎng)節(jié)點a與節(jié)點b的導納矩陣。由式（3）可知，系統(tǒng)中引入的潮流計算屬于非線性方程式，而牛頓-拉夫遜法是求解非線性方程最有效的辦法，此方法可以將非線性的潮流計算方程式，轉(zhuǎn)換為線性方程式，進而求解出精準的電能損耗值。那么利用牛頓-拉夫遜法求解配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)中潮流計算方程的步驟如下：首先根據(jù)節(jié)點導納矩陣Dab獲得各節(jié)點電壓的初始數(shù)據(jù)，將迭代次數(shù)設為0；其次利用電壓初始數(shù)據(jù)將潮流計算方程中不平衡的有功功率與無功功率進行修正；再次對修正后的方程組進行求解，從而獲得配電網(wǎng)中各個節(jié)點電壓的修正數(shù)據(jù)；最后對修正的各節(jié)點電壓進行收斂性判斷，如果沒有收斂則再次進行迭代，如果收斂成功，則計算出電能損耗數(shù)據(jù)。

2.3 考慮源網(wǎng)荷儲互動的降損決策功能

降損輔助決策功能是系統(tǒng)關鍵功能，由于新能源并網(wǎng)的隨機性以及不可控性，導致配電網(wǎng)電能損耗嚴重，一般情況下，可以通過調(diào)峰進行降損，然而單一的調(diào)峰方法無法滿足設計系統(tǒng)的需求，本文設計源網(wǎng)荷儲互動的配電網(wǎng)調(diào)峰策略，進而實現(xiàn)降損輔助決策[7]。首先綜合考慮配電網(wǎng)供電的波動性和隨機性，利用模糊C均值聚類法獲得配電網(wǎng)出力特性；其次對配電網(wǎng)調(diào)峰容量等特性進行刻畫，從而得到最佳調(diào)峰能力；最后以配電網(wǎng)調(diào)峰經(jīng)濟性最優(yōu)為策略，實現(xiàn)降損輔助決策的最優(yōu)匹配。與單一調(diào)峰方法不同的是，源網(wǎng)荷儲互動調(diào)峰方式綜合考慮了配電網(wǎng)各側(cè)資源的深度互動能力，可以和配電網(wǎng)滲透率匹配出最佳平衡峰谷差的策略，以此實現(xiàn)降損。關于構建配電網(wǎng)調(diào)峰資源耦合的數(shù)學模型，將配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)抽象為一個二端口網(wǎng)絡，然后將電能損耗的各影響因素作為源網(wǎng)荷儲互動樞紐的輸入，如調(diào)峰需求等，同時將配電網(wǎng)調(diào)峰資源類型作為源網(wǎng)荷儲互動樞紐的輸出，那么源網(wǎng)荷儲互動樞紐的輸入與輸出關系為

式中：T為配電網(wǎng)的調(diào)峰需求；H為調(diào)峰策略的耦合矩陣；Z=(Z1,Z2,Z3)為配電網(wǎng)調(diào)峰資源類型集合；μ1、μ2、μ3分別為各調(diào)峰資源類型的參與度系數(shù)值；分別表示各調(diào)峰資源類型容量的最小值與最大值；為第S臺調(diào)峰機組的資源容量參數(shù)；δ為用戶滿意度參數(shù)；PS、PS,max分別為配電網(wǎng)調(diào)度區(qū)間內(nèi)的負荷調(diào)峰功率以及功率最大值；Y為用戶滿意度的閾值，一般根據(jù)配電網(wǎng)用戶實際需求進行設定。利用式（4）進行配電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲互動下的最優(yōu)調(diào)峰策略，進而實現(xiàn)配電網(wǎng)降損輔助決策功能。

3 應用實例

以某380 V低壓臺區(qū)為算例，該臺區(qū)的配變?nèi)萘繛?00 kVA，適用于降損輔助決策系統(tǒng)性能驗證實驗。所選臺區(qū)為典型的三相四線制供電方式，配置2臺SCB13型號變壓器，電能表安裝在變壓器的低壓一側(cè)，因此本次系統(tǒng)檢測試驗不考慮變壓器的損耗情況，獲取該臺區(qū)的典型日負荷曲線如圖2所示。

圖2 低壓臺區(qū)典型日負荷曲線圖

由圖2可以看出，只有00:00～06:00時，所選臺區(qū)運行更為經(jīng)濟，其他時間臺區(qū)負荷的實際負荷值均小于設計值，說明所選臺區(qū)存在嚴重電能損耗情況。利用本文所設計配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)對該臺區(qū)的電能損耗進行計算，并進行降損處理，同時采用傳統(tǒng)的基于反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡的降損方法與基于負荷實測的降損方法，分別對所選臺區(qū)進行降損處理，獲得實驗結(jié)果如表1所示。

表1 典型日臺區(qū)電能損耗及降損結(jié)果

從表1結(jié)果可以看出，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的降損方法可以降低電能損失率2.48個百分點，日降損為14 kW·h；基于負荷實測的降損方法可以降低電能損失率3.73個百分點，日降損為21 kW·h；本文所設計系統(tǒng)可以降低電能損失率4.97個百分點，日降損為28 kW·h，較傳統(tǒng)方法提升2.49、1.24個百分點。由此可以說明，本文所設計的配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)具有更明顯的降損效果，進一步驗證了本文設計系統(tǒng)的性能良好，可以提升配電網(wǎng)經(jīng)濟效益。

4 結(jié) 論

隨著我國社會用電量的大幅增加，電力企業(yè)逐漸加大對配電網(wǎng)節(jié)能降損的關注度?；诖耍疚脑O計一個考慮源網(wǎng)荷儲互動的配電網(wǎng)降損輔助決策系統(tǒng)。為了保證此系統(tǒng)具備一定實用性，在系統(tǒng)中添加了配電網(wǎng)電能損耗計算與降損功能模塊，并通過系統(tǒng)測試驗證了此系統(tǒng)在配電網(wǎng)降損方面表現(xiàn)良好，有助于提升配電網(wǎng)的經(jīng)濟效益以及社會效益。在配電網(wǎng)電能損耗計算的研究過程中，發(fā)現(xiàn)電能損耗計算量較大，導致降損輔助決策系統(tǒng)的運行時間偏長，今后需要進一步完善此系統(tǒng)，最終實現(xiàn)配電網(wǎng)高效節(jié)能降損的目標，為配電網(wǎng)的電能損耗管理提供技術支持。